aula - micro-ondas terrestres em visibilidade

Enlaces de Micro-ondas Terrestres em Visibilidade ASPECTOS DE PROPAGAÇÃO E DIMENSIONAMENTO

Definição Na sua forma mais simples, um enlace de micro-ondas consiste em um par de transceptores (antenas) separados de alguns quilômetros;

Para distâncias maiores, vários repetidores podem ser utilizados, cobrindo uma distância que pode chegar a centenas de quilômetros;

Definição

Definição A propagação por micro-ondas é primordialmente por linha de visada, constituindo algumas vantagens em relação aos sistemas a cabo

Linha de visada é um termo parcialmente correto ◦ Condições atmosféricas e o solo modificam a propagação de micro-ondas

◦ Mesmo que um ponto A “veja” um ponto B, pode ser impossível obter comunicação satisfatória;

◦ Mesmo que um ponto A não “veja” um ponto B, pode ser possível obter comunicação satisfatória;

Definição A informação de voz, vídeo ou

dados é multiplexada gerando um sinal banda base

O sinal é então modulado (FM,PSK,QAM) gerando um sinal FI

O sinal é finalmente transladado em frequência, para transmissão

O processo inverso ocorre no receptor

Aplicações Enlaces em micro-ondas são melhores que os sistemas em fibra óptica em:

◦ terrenos montanhosos ou rochosos,

◦ lugares isolados como ilhas,

◦ onde cabos externos são vulneráveis e cabos subterrâneos são muito caros e não são imunes às atividades de agricultura e construção

Aplicações •Tradicionalmente, em rotas de

operadoras de telefonia (substituído por fibra óptica)

•Usa-se ainda em aplicações que não exigem grande capacidade de tráfego;

• O grande aumento de novos enlaces deve-se a acesso sem fio

Aplicações Redes de ligação celular

Aplicações Redes de distribuição de TV

LMDS (local multipoint

distribution service)

MMDS (multichannel

multipoint distribution

service)

Mecanismos de Propagação Estimativa Inicial:

◦ Propagação por Espaço Livre

Correções: ◦ Atmosfera:

◦ Absorção

◦ Refração

◦ Relevo:

◦ Reflexão

◦ Difração

Espaço Livre

24

dL fs

Efeitos Atmosféricos

Efeitos Atmosféricos - Absorção ◦ Oxigênio:

◦ de 0.01 dB/km a 0.02 dB/km na banda de interesse

◦ Chuva: grande atenuação para grandes precipitações

◦ p/ 6 GHz:

◦ 0.001 dB/km (Vapor)

◦ 0.01 dB/km (chuva fraca)

◦ 1.0 dB/km (chuva muito forte)

◦ Pode chegar a 12 dB/km em 12 GHz

Modelo para atenuação por chuva O Modelo é dado na forma:

dB)( efetivochuva LPA

km/dBb

pRa

Refração ◦ Mudança nas condições atmosféricas

◦ Temperatura

◦ Densidade

◦ Umidade

Refração

Refração A refratividade é definida como

Empiricamente (ITU-R P.453):

610)1( nN

)4810(6,77

T

ep

TN

• T é a temperatura em kelvin, • p é a pressão atmosférica em mbar • e é a pressão do vapor d’água em mbar

Refração Os valores em questão são função da altitude:

hehN 136,0315)(

Refração Define-se ainda o gradiente de refratividade:

(valor válido para a atmosfera padrão)

km

N de unidades 40

h

NN

Refração Na atmosfera, a frente de onda sofre sucessivas refrações:

Refração Raio efetivo da Terra

Refração Raio efetivo da Terra – Curvatura relativa

RRRef

111

0

Refração

Horizonte Ótico vs. Horizonte de Rádio

Refração ◦ Valor padrão de K = 4/3

◦ Porém varia e depende:

◦ da hora do dia

◦ da estação do ano

◦ da localização geográfica

◦ K > 4/3 para áreas quentes

◦ K < 4/3 para áreas frias

◦ Geralmente 1,1 < K < 1,6

h

nR

K

01

1

RealRaio

EfetivoRaio

Refração h

nR

K

01

1

RealRaio

EfetivoRaio

Refração O valor de K = 4/3 decorre de uma taxa de decréscimo do índice de refração da atmosfera com a altitude, e este caso é definido como atmosfera padrão;

A taxa de variação varia com o tempo e com as condições atmosféricas

Refração Valores de Kmin para 99,9% do tempo no pior mês do ano em função da distância (clima temperado continental)

Recomendação ITU-R P. 530

Refração – Casos Típicos

Efeitos do Terreno Obstáculos no terreno: Montanhas, Árvores, Edifícios, .....

A forma e o material do obstáculo deve ser considerado no Enlace ◦ Perdas no enlace

◦ Espalhamento do sinal

Efeitos para análise: ◦ Reflexão

◦ Difração

Princípio de Huygens Cada ponto de uma frente de onda possui a funcionalidade de uma nova fonte pontual

Princípio de Huygens

Zonas de Fresnel

Zonas de Fresnel

43212

ddndd

21

21

dd

ddnRn

Elipsóides de Fresnel

A

B

d2

d1

Difração

Difração – Gume de Faca

Difração – Gume de Faca Mostra-se que:

Em que define-se o parâmetro de difração de Fresnel como:

dtej

E

Etj

fs

drf 2/2

2

1

21

11

1

2

dd

h

Difração – Gume de Faca A expressão pode ser reescrita como:

Em que define-se o parâmetro de difração de Fresnel como:

)()(1)()(2

1 CSjCS

jE

E

fs

drf

21

11

1

2

dd

h

Difração – Gume de Faca A expressão pode ser reescrita como:

São definidas as funções seno integral de Fresnel e cosseno integral de Fresnel:

)()(1)()(2

1 CSjCS

jE

E

fs

drf

0

2

2sen)( dt

tS

0

2

2cos)( dt

tC

Difração – Gume de Faca O ganho de difração é:

22)()(1)()(

2

1log20

log20)(

CSCS

E

EG

fs

drf

dfr


2

)(fs

drf

dfrE

EG

Difração - Aproximação

Difração – Aproximação (ITU-R P. 526)

Desobstrução da Metade Inferior da 1ª Zona de Fresnel

Difração e Zonas de Fresnel

Determinação da Altura das Antenas

Determinação da Altura das Antenas Para todos os obstáculos significativos ao longo do percurso, determinar:

Considerando o feixe com percurso linear de propagação,

kmkmmc ddRK

h ,2,1

0

3

,2

10

ncPCAABB RhHdHhdhHd )()( 21

kmGHz

kmkm

ndf

dndR

,2,132,17

Exercício 1 Calcular a altura das antenas para 100% de desobstrução da primeira zona de Fresnel para K = 4/3, f = 2 GHz e f = 8 GHz, sob os seguintes valores: ◦ d = 40 km

◦ d1 = 30 km

◦ d2 = 10 km

◦ HA = 748 m

◦ HB = 936 m

◦ HPC = 906 m

kmkmmc ddRK

h ,2,1

0

3

,2

10

kmGHz

kmkm

ndf

dndR

,2,132,17

ncPCAABB RhHdHhdhHd )()( 21

Exercício 2 Repetir o exercício anterior, considerando 60% de desobstrução da primeira zona de Fresnel ◦ d = 40 km

◦ d1 = 30 km

◦ d2 = 10 km

◦ HA = 748 m

◦ HB = 936 m

◦ HPC = 906 m

Exercício 3 Repetir os exercício anteriores, considerando agora K = 2/3.

◦ d = 40 km

◦ d1 = 30 km

◦ d2 = 10 km

◦ HA = 748 m

◦ HB = 936 m

◦ HPC = 906 m

Exercício 4 Determinar a altura das antenas para o seguinte enlace de micro-ondas em visibilidade, considerando a distância total do enlace de 58 km, operando na frequência de 6 GHz e fator K = 0,92, com obstrução de 40% da metade inferior da primeira zona de Fresnel. Os pontos de A a D marcam a presença de obstáculos, que são árvores de 15 metros de altura.

Elemento do Enlace Altitude (m) Distância em relação ao Tx (km)

Tx 81,51 0,00

‘A’ 52,50 12,07

‘B’ 33,87 31,22

‘C’ 48,26 43,45

‘D’ 61,00 48,28

Rx 61,00 58,00

Exercício 4

Elemento do Enlace

Altitude (m)

Distância em relação ao Tx (km)

Tx 81,51 0,00

‘A’ 52,50 12,07

‘B’ 33,87 31,22

‘C’ 48,26 43,45

‘D’ 61,00 48,28

Rx 61,00 58,00

Balanço de Potência

Balanço de Potência Para um enlace (k-ésimo enlace)

k

T

k

R

k

T

k

T

k

R LGGPP

Balanço de Potência Fatores de perda em um enlace

k

ABSORÇÃO

k

ENTODESVANECIM

k

OEQUIPAMENT

k

FS

k

T

k

ATMOSFERA

k

aEstatísticCHUVA

k

REFRAÇÃO

k

REFLEXÃO

k

DIFRAÇÃO

k

GHzmdBaOALIMENTAÇÃ

k

dBÃOINTERCONEX

k

FS

k

T

LLLLL

LL

LLL

LLLL

)(

)6100/93()2(

Balanço de Potência Para um enlace (k-ésimo enlace), a razão portadora ruído é dada por:

A temperatura de ruído do sistema receptor relaciona-se com a figura de ruído por meio da relação:

k

T

k

SdB

k

TdB

k

RdB

k

TdB

k

T

k

dB

BTLGGPN

C

iiW

log10log106,228

ga

T0+Te

Ni” = K (T0+Te) BT

+ Te

T0 Nout = K (T0+Te) BT ga

0TFTS

Exemplo 1 Considere um enlace de micro-ondas em visibilidade de 40 km de extensão entre duas cidades A e B, que opera em 38 GHz. O sistema transmissor, de potência PT W, alimenta a antena de transmissão através de um guia de onda com perdas de 3 dB/100m. O sistema receptor é alimentado pela antena receptora a partir de um guia de onda com essas mesmas características. Tanto o transmissor quanto o receptor estão distantes das suas respectivas antenas de uma distância de 50 m.

Exemplo 1 As antenas transmissora e receptora são idênticas e são do tipo parabólica com eficiência de 60%. A temperatura ambiente pode ser considerada 300 K. A figura de ruído do sistema receptor é igual a 4 dB e a figura de mérito é igual a 15 dB. Calcule PT (em dBw), o ganho G e o diâmetro D das antenas (transmissora e receptora) para que o sistema trabalhe na sensibilidade máxima do receptor, que é de –65 dBm, sabendo ainda que o sistema está em uma região onde as perdas por absorção de chuva podem chegar a 0,15 dB/km. Despreze nesse caso os problemas com difração, refração e reflexão.

Disponibilidade

Fading margin (FM)

Período de Tempo

Desvanecimento

Modelos de Disponibilidade A probabilidade de que o desvanecimento exceda FM no pior mês em um dado enlace é dada pela relação (modelo de Barnett-Vigants):

FM = margem de desvanecimento de um enlace (em dB)

f = frequência de operação (em GHz) O expoente B varia entre 0,85 e 1,5

105 10100,6(%)

FM

CB

fT dfTc

Modelos de Disponibilidade A probabilidade de que o desvanecimento exceda FM no pior mês (indisponibilidade) é dada pela relação (modelo de Barnett-Vigants):

FM = margem de desvanecimento de um enlace (em dB)

d = distância do enlace (em km)

O expoente C varia entre 2,00 e 3,50

105 10100,6(%)

FM

CB

fT dfTc

Modelos de Disponibilidade Modelo de Barnett-Vigants:

cT é o fator clima 1/2 para a costa do Golfo e áreas similares (em termos de temperatura e umidade)

1/8 para clima muito seco

1/4 nos demais casos

105 10100,6(%)

FM

CB

fT dfTc

Modelos de Disponibilidade Modelo de Barnett-Vigants:

Tf – é o fator terreno 4 para terrenos muito planos (incluindo enlaces sobre água)

¼ para terrenos montanhosos ou irregulares

1 para os demais casos

105 10100,6(%)

FM

CB

fT dfTc

Exemplo 2 Qual será a disponibilidade de um enlace de comprimento 50 km em uma região úmida (similar ao Golfo), de terreno plano, que opera em 6 GHz e apresenta margem de desvanecimento de 40 dB?

Considere 1035 10100,6(%)

FM

fT dfTc

Modelos de Disponibilidade Há outros modelos disponíveis para outras regiões do mundo Por exemplo, ITU-R P. 530

Disponibilidade do Sistema

SE

SESE

SEk

N

k

k

N

k

k

N

k

k

N

k

k

1

sistemasistema

11

sistema

1

indep.

sistema

1

11

Disponibilidade do Sistema

Para enlaces full-duplex,

Para enlaces half-duplex,

2

kVOLTA

k

IDA

k

k

VOLTA

k

IDA

k

Disponibilidade do Sistema Como aumentar a disponibilidade de um enlace e mitigar os efeitos do desvanecimento? Re-projetar os enlaces para utilizar antenas maiores ou maior potência de

transmissão ou melhor sensibilidade

Uso de técnicas de diversidade

Uso de FEC (codificação de canal)

Diminuir a distância entre os enlaces

Reduzir a taxa de transmissão de bit

Diversidade Diversidade em Frequência

df

fI

DFFM

DF

DF 2

10108,0

Diversidade Diversidade Espacial

d

fsI

DEFM

DE

DE

1023 10102,1

Exemplo 2 – Revisitado.... (a) Qual será a disponibilidade de um enlace de comprimento 50 km em uma região úmida (similar ao Golfo), de terreno plano, que opera em 6 GHz e apresenta margem de desvanecimento de 40 dB?

(b) Suponha que seja utilizada diversidade espacial, com duas antenas de mesmo ganho, espaçadas de 12 m. Se for mantida a margem de desvanecimento utilizada em (a), qual a nova disponibilidade do enlace?

(c) Qual deve ser a nova margem de desvanecimento para que a disponibilidade seja a mesma considerada em (a) ?

Exemplo 3

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